Vanessa Schoeppler,a Robert Lemanis,a Elke Reich,a Tamás Pusztai,b László Gránásy,b,c Igor Zlotnikov a
a B CUBE–Center for Molecular Bioengineering, Technische Universität Dresden, 01307 Dresden, Germany
b Wigner Research Centre for Physics, P.O. Box 49, H-1525 Budapest, Hungary
c Brunel Centre of Advanced Solidification Technology, Brunel University, Uxbridge, Middlesex UB8 3PH, UK
A puhatestűek héja klasszikus modell-rendszer a biomineralizáció során fellépő kialakulás – szerkezet – funkció kapcsolatok vizsgálata szemszögéből. (Biomineralizáció: hierarchikusan strukturált szerves-szervetlen kompozit anyagok létrejötte élő szervezetekben.) A puhatestűek által létrehozott héjak jellemzően több, szervetlen-szerves kompozitból felépülő rétegből (ultraszerkezet) állnak. Figyelemre méltó, hogy evolúciójuk során a puhatestűek egyes fajtái egymástól függetlenül hasonló szerkezetű héjakat fejlesztettek ki. továbbá ezek a hierarchikusan szervezett biokompozitok sok esetben erősebbek és ellenállóbbak a tiszta szervetlen összetevőjüknél, de a modern ember alkotta kompozitoknál is.
A rangos Proceeding of the National Academy of Sciences (US, impakt faktor: 9.58) egy közelmúltban megjelent cikkében a Wigner Fizikai Kutatóközpont (Magyarország) és a Drezdai Műszaki Egyetem (Németország) kutatói az anyagtudományból jól ismert irányított megszilárdulás során kialakuló mikroszerkezetek és a biomineralizáció folyamatában létrejövő meglehetősen hasonló szerkezetek közti lehetséges kapcsolatot vizsgálták. Három puhatestű osztály egy-egy képviselőjének héjszerkezetét, az Unio pictorum édesvízi kagylóét, a lábasfejűek közé tartozó Nautilus pompilus-ét, ill. a Haliotis asinine haslábúét vetették össze az irányított növekedésen alapuló fázismező elméleti szimulációkkal. Megmutatták, hogy a kémiai és fizikai határfeltételek szabályozásával a fázismező elmélet képes az irányított megszilárdulás körülményei közt reprodukálni a puhatestűek héjszerkezetének alapvető vonásait, úm. a véletlen orientációjú kristályszemcsékből felépülő granuláris réteg, az oszlopos kristályokból álló ún. “prizmatikus” réteg, és az alternáló szerves és szervetlen rétegeket tartalmazó gyöngyház (ld 1. ábra).
Ezekből a megfigyelésekből kiindulva a kutatók egy, a puhatestűek héj-evolúcióját korlátozó tényező lehetőségét vetik fel: a héjak szerkezeti sokféleségét (morphospace) behatárolják az irányított megszilárdulás termodinamikai és kinetikus korlátai.
A kísérletek a Drezdai Műszaki Egyetemen folytak, míg a számítógépes szimulációkat a Wigner Fizikai Kutatóközpontban végezték.
1. ábra: A mikroszerkezet vastagság menti változása (balra) a Nautilus pompilius héjára vonatkozó elektronmikroszkópos felvételen és (jobbra) a fázismező elméleti szimulációban (a különböző színek különböző kristálytani orientációknak felelnek meg). A héj fölfelé nő. Mindkét panelen a következő morfológiai szekvencia figyelhető meg: granuláris → oszlopos → gyöngyház.
Animációk: Számítógépes animációk melyek a héjszerkezet időbeli fejlődését mutatják a fázismező elmélet keretében:
(a) A c kálcium karbonát koncentráció térbeli eloszlása (minél nagyobb c, annál világosabb a szín, a köpeny fekete);(b) a fázismező térkép (az puhatestű köpenye és a megszilárdulási front közti ún. extrapalliális folyadék tartomány piros; a sárga szín a kristályos kálcium karbonátot jelöli, míg az élőlény köpenye fehér);(c) orientációs térkép (az eltérő színek eltérő kristálytani orientációkat jeleznek, az extrapalliális folyadék fekete, a köpeny fehér).
Link az eredeti cikkre: https://www.pnas.org/content/116/41/20388.full
A Drezdai Műszaki Egyetem sajtóközleménye: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-09/tud-cgk092319.php
Ez a munka a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal "Élvonal" kiválósági programjának támogatásával készült a KKP-126748 sz. szerződés keretében.
